이상민 포스텍 화학공학과 교수, 21일 국제 학술지 '네이처' 발표
2024년 노벨화학상 수상 데이비드 베이커 교수와 공동연구
AI로 '자연 모방' 인공 단백질 설계 성공
국내 연구팀이 2024년 노벨화학상 수상자인 데이비드 베이커 미국 워싱턴대 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 자연계 속 단백질 구조의 원리를 AI로 재현했다.
과학기술정보통신부는 이상민 포스텍(포항공대) 화학공학과 교수가 AI를 활용해 대형 단백질 구조체를 설계했다고 21일 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계 최고 권위 학술지 '네이처'에 이날 게재됐다.
'단백질 나노 케이지'는 최근 바이오·의학 분야의 차세대 약물 전달 기술로 주목받는다. 단백질 나노 케이지는 여러 단백질이 스스로 결합해 만든 나노미터(nm) 크기의 구조체다. 속이 비어 있기 때문에 내부 공간에 약물, 유전 물질, 효소 등을 탑재할 수 있다. 껍질에는 항원도 붙일 수 있다.
그간 연구계는 '완벽한 대칭 구조'를 가진 단백질 나노 케이지를 설계하는 데 집중했다. 완벽한 대칭 구조를 강조하다 보니 하나의 단백질로 구현할 수 있는 구조체의 크기가 매우 제한적인데다 형태가 단순할 수밖에 없는 한계가 있었다.
하지만 자연계의 바이러스는 다르다. 하나의 단백질을 수백 번에서 수천 번 반복적으로 사용하면서도 각 단백질이 놓이는 위치와 환경을 미세하게 조절해 거대한 껍질을 만들어낸다. 이런 원리를 '준 대칭성'이라고 한다.
연구팀은 이같은 자연 원리를 AI를 활용한 인공 단백질 설계로 구현했다. 연구팀은 단백질 블록 간 각도와 휘어짐 정도가 단백질 껍질과 관련 있다는 점에 주목했다. 단백질 블록이 너무 평평하게 배열되면 껍질이 닫히지 않는다. 반대로 너무 많이 휘면 단백질 구조가 작아진다.
연구팀은 단백질 3개가 뭉친 '삼량체 단위'를 기본 블록으로 설정해 AI 기반 단백질 구조 생성 도구인 '알에프디퓨전(RFdiffusion)'을 활용해 새로운 연결 구조를 설계했다. 마치 조립식 블록을 쌓는 것처럼 하나의 단백질이 서로 다른 각도로 맞물리게 해 평평한 판이 아닌 거대한 돔 형태의 껍질을 구현했다.
이어 설계한 인공 단백질을 대장균을 통해 실제로 만든 후 극저온 전자현미경으로 그 형태를 관찰했다. 그 결과 단백질들은 스스로 뭉쳐 최소 70nm에서 최대 220nm에 이르는 다양한 크기의 둥근 껍질들을 만들어 냈다. 가장 작은 구조는 정교한 '나노 축구공' 형태를 띠었다. 큰 구조는 그보다 3배 이상 컸다.
이번 연구는 자연에 존재하는 바이러스 단백질을 그대로 재활용한 것이 아닌, AI로 새롭게 설계한 단일 인공 단백질만으로 바이러스와 유사한 대형 구조체를 만들어 냈다는 점에서 학계의 주목을 받았다.
연구를 이끈 이 교수는 "바이러스는 완벽한 대칭만이 정교한 분자 구조를 만드는 유일한 방법이 아님을 보여주는 최고의 자연 모방 대상"이라며 "분자 사이의 미세한 각도 변화가 평평한 판을 거대한 돔으로 바꾸듯, 단백질 블록의 작은 구조를 조절해 최종 조립체의 크기와 형태를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여줬다"고 의의를 설명했다.
김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "국내 우수 연구자가 노벨상 수상자와 협력해 세계적 수준의 기초연구 역량을 증명해 낸 쾌거"라며 "국내 연구자가 세계를 선도할 성과를 창출할 수 있도록 지원을 아끼지 않겠다"고 했다.